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1、SIMOTION D435在铜箔生产线电控系统中的应用万筱剑1 李铁才2 张立群11. 哈尔滨工业大学深圳研究院 2. 哈尔滨工业大学 摘要：介绍了铜箔生产线电控系统的构成，重点分析了卷绕的控制原理，讨论了整个控制过程，给出了实用的控制方案。运用SIMOTION实现了张力闭环自动控制、动态补偿、断箔报警连锁控制及电气一体化连锁控制等。应用证明，收卷质量达到要求，并且该系统有良好的操作性和可靠性。关键词：交流传动 SIMOTION 张力控制 Application of Copper Coil Production Line Electric Controlled System with SIM
2、OTION D435Wan Xiaojian Li Tiecai Zhang LiqunAbstract：The electric control system of the copper coil production line is introduced in this article, the principle of wind control is mainly analyzed, the entire control process is discussed and the utility program is brought out. Tension closed automati
3、c control, dynamic compensation, break foil detection, electric protection chain reaction are realized by simotion. The application proved that the wind-up quality reaches demands and this system has fine serviceability and reliability.Keywords：AC drive SIMOTION D435 tension control 1 引言目前，在铜箔卷绕设备中用
4、交流传动代替直流传动已成为发展趋势。此外，在铜箔生产线卷绕的整个过程中，要求其张力是恒定的，而且对系统的稳定性和控制精度又有很高的要求，因此我们有必要对其电控系统进行研究，来提高生产线的整体性能。2 系统构成本文所涉及的铜箔生产线长度约24 m，铜箔在生产线上电镀时有微微的增厚，在各种导辊上穿插后长度在40 m左右，铜箔的最大宽幅1360 mm，设计机列速度为36 m/min。成品卷的质量标准为：具有适当的硬度，且内紧外松，径向硬度分布均匀。为了达到上述的指标，采用了全数字的交流伺服系统作为电控系统的主传动装置。系统主要有以下几个部分组成：1)开卷和收卷驱动辊，一个速度辊，6个辅助辊，分别由单
5、独的交流伺服电机拖动，并由6SL3120全数字双轴驱动器供电。2)西门子SIMOTION D435作为中心控制器。3)张力检测装置。4) TP270触摸屏作为输入操作和状态显示。3 系统控制原理与控制策略3.1 卷取控制原理铜箔卷绕机构对控制系统的基本要求是在卷绕的整个过程中，保持铜箔上的张力恒定，图1是铜箔生产线收卷部分的原理示意图，设铜箔的张力为T，卷辊直径为D，前一单元M1运行中铜箔的线速度为V1，卷绕单元M2运行中铜箔的线速度为V2。根据胡克定律，铜箔内的张力T 为 （1）图1 收卷部分原理示意图式中：为铜箔的弹性模量；为铜箔的截面积；为传动点之间的距离；t为机器启动时间。由上式可见，
6、铜箔在作为张力调节对象时，是一个积分环节，控制张力实际就是控制线速度差V2-V1，所以，从某种意义上说，张力控制系统实际上就是一种线速度跟踪系统。对式（1）求导，得到： （2）式（2）中，对同一种铜箔可以认为/L是常量，那么张力的变化量只与线速度的变化有关，因此我们可以采用控制线速度的方式来实现恒张力控制的目的。控制线速度也就是控制电机的转速，这就需要知道收卷的卷径，而收卷的卷径是随着收卷的进行而逐渐增大的，需要实时计算。 （3）式中：V1是机列的实际线速度， n2是收卷电机的实际转速。通过式（3）可以实时计算出收卷的卷径。知道了收卷的卷径，也就可以求出收卷电机的速度指令n2: （4）3.2
7、控制策略通过上面的分析，我们可以得出张力闭环的控制方案，即通过调节电机转速来实现张力恒定的目的，首先根据张力检测装置的张力反馈信号与张力的设定值构成的PID闭环，作为速度指令的调节信号，计算出收卷部分的线速度指令V2，然后通过V2和卷筒的卷径计算出匹配的电机速度指令送给交流驱动器。系统配置了西门子SIMOTION D435和TP270触摸屏，可以组成控制精度和自动化程度较高的系统，并且考虑到系统动态响应性，稳定性和精度性的要求，系统采用以下控制方案：1）系统的车速由单独的速度辊传动系统来提供，这个辊通过交流伺服电机拖动，运行在速度模式下，它的实际线速度作为机列的速度基准，为了保证启动和停止的运
8、行平稳，采用S加减速曲线升降速。2）开卷辊传动系统运行在张力闭环控制模式。3）收卷辊传动系统也是运行在张力闭环控制模式下，不同之处是添加了张力的锥度补偿，用来防止铜箔“窜层”和内部产生“折皱”，以此来保证卷绕的质量。所谓的张力锥度控制就是指初始张力T0与终止张力Tmin（对应最大卷径时的张力值）的差值与初始张力的百分比，即： （5）张力与卷径的关系如图2所示。图2 张力与卷径关系图由式（5）及图2可得：tan （6）任意卷径时候的张力为 （7）4）其余的6个辅助辊传动系统也是运行在张力闭环控制模式下，它们提供系统运行过程中由于摩擦等的能量损失，从而保证中间部分铜箔上的张力恒定。5）控制系统和交
9、流伺服驱动器之间通过PROFIBUS通讯来传递信息，从而使电气传动系统连接简便，辅助设备操作灵活，方便。6）系统由穿卷到运行过程中，各个辊之间铜箔会有一个由松到紧的过程，如果这个过程变化过急，猛的把铜箔由松弛状态到绷紧状态，很容易把铜箔拉断，从而产生断箔。所以张力应该是按照S曲线变化量递增，而不应该是阶跃的变化量。7）动态补偿的实施由SIMOTION D435通过软件来完成，收卷辊的锥度补偿曲线通过实测的数据来实现。4 SIMOTION D435的硬件配置和软件设计4.1 硬件配置控制器采用西门子的SIMOTION D435，该控制器是基于SINAMICS S120驱动平台的驱动系统，是一个极
10、其紧凑同时具有强大控制功能的驱动控制系统，它带有两个具有时钟同步的PROFIBUS接口以及两个以太网口，可以通过DRIVE-CLiQ接口与SINAMICS S120的其它模块进行数据交换，通过扩展，一个SIMOTION D435最多能控制64个轴，单独的一个SIMOTION D435仅可以控制6个轴，由于本系统控制的轴数为9，故选取了CX32轴扩展模块。整个系统由SIMOTION D435，CX32多轴扩展模块， SINAMICS S120的双轴驱动模块，ET200和TP270触摸屏5部分组成。它们之间通过PROFIBUS接口协议通讯。SIMOTION主要完成逻辑控制，算法的运算，接受触摸屏和
11、ET200的信号，同时将计算得到的运动指令送到SINAMICS S120驱动控制器中。4.2 主要控制功能1）现场控制信号的采集，远程I/O和操作屏通过PROFIBUS总线把现场操作信号送入SIMOTION。2）速度的控制及计算，根据工艺要求设定不同的机列速度，通过计算，传送给速度辊传动装置。3）SIMOTION与触摸屏通过高速通讯传输数据，将各个传动点的工作状态通过触摸屏实时显示出来，同时接受触摸屏上的操作指令，控制各个传动点执行相应的动作。4）张力控制，通过铜箔上张力的设定和传感器的反馈来实现张力闭环。5）断箔报警控制、与工艺有关的电气一体化连锁控制。4.3 程序流程主程序流程图如图3所示
12、，首先初始化程序对参数、卷径计算模块、张力控制模块、锥度补偿模块、机列速度等进行初始化。逻辑控制程序流程图如图4所示，根据工艺要求执行操作台上的按钮，实现系统的自动控制。图3 主程序流程图图4 逻辑控制流程图参数读写程序流程图如图5所示，在该子程序中，SIMOTION采集速度给定、速度反馈、张力给定，张力反馈等值，同时操作人员可按照工艺要求，在操作屏上写进速度、张力等值的大小，以及锥度补偿的控制等，这些值通过通讯总线送到SIMOTION，所有数据经过SIMOTION 的CPU模块处理后存入相应的数据存储区，SIMOTION把计算的速度给定传给相应的交流伺服驱动器。图5 读写值子程序在运行过程中
13、，卷径计算首先以速度辊上的线速度作为机列的速度，然后通过收放卷辊的实际角速度根据式（3）计算出来；收卷锥度动态补偿的实施也由SIMOTIN来完成，根据实测数据以曲线的形式存入SIMOTION中，运行的时候根据计算得到的卷径值给出相应的张力值，达到锥度补偿的目的；同时根据张力的反馈值，实时的对系统进行张力补偿；利用速度辊驱动电机的编码器来计算成品铜箔的生产量长度，达到定长停车的目的。4.4 实际应用效果采用上述方案对铜箔生产线进行控制，取得了良好的效果。由实际收卷电机的转速和转矩波动监控图（图6，图7）可知，转速波动 转矩波动 收卷电机转矩波动小，转速恒定。图6 收卷电机转速波动图7 收卷电机转矩波动5 结束语该系统采用西门子SIMOTION D435作为中心控制器，使开发周期大大缩短，模块化的设计和各种通用、专用模块使系统配置变得简单，其符合IEC 61131-3工业编程语言的国际标准使得系统编程更为方便，其硬件结构的工作可靠性及良好的抗干扰性能，保证了系统的可靠运行。经过调试、试运行，该系统运行情况良好，收卷质量达到要求。参考文献1 孟彦京.造纸机变频传动原理与方法M.西安：陕西人民出版社，20022 顾绳谷.电机及拖动基础M.北京：机械工业出版社，19883 Application Winder with SIOMOTION4 SIMOTION D435使用手册
